專(zhuān)利名稱(chēng)：SiCw/Al復(fù)合材料液－固兩相區(qū)溫度成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高溫成型的方法，主要應(yīng)用于晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的成型。
背景技術(shù)：
SiC晶須增強(qiáng)鋁(SiCw/Al)復(fù)合材料是二十世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其特點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量高，優(yōu)良的抗疲勞性能、減震性能、耐磨性能和可二次加工等。SiCw/Al復(fù)合材料目前正作為航空航天材料逐漸實(shí)用化。美國(guó)和日本已將這種材料列為21世紀(jì)新材料開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目。
SiCw/Al復(fù)合材料的組成是在軟的基體上分布著硬的陶瓷相。這種材料可切削加工，但刀具磨損嚴(yán)重是復(fù)合材料零件價(jià)格較高的原因之一。而且有些零件不僅形狀復(fù)雜，還有很高的尺寸要求，這對(duì)于機(jī)械加工難以實(shí)現(xiàn)。因而一定程度上限制了復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。對(duì)SiCw/Al復(fù)合材料采用塑性變形成型加工是解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑之一。
超塑成型具有以下優(yōu)點(diǎn)材料塑性高，變形抗力小，可以一次精密成形，不留機(jī)械加工余量或僅留微小余量，因此不僅可以提高生產(chǎn)率，而且可以大大節(jié)省材料消耗，降低生產(chǎn)成本。成型零件質(zhì)量好，超塑成型的零件不存在由于形變硬化引起的回彈導(dǎo)致的零件成型后的變形，故零件尺寸穩(wěn)定。但是，傳統(tǒng)超塑成型的應(yīng)變速率多在10-5～10-3s-1，這很不利于零件的批量生產(chǎn)。早在1984年，Nieh等人首次在金屬基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了300％的拉伸超塑性，并且應(yīng)變速率高達(dá)0.33S-1。在隨后的十幾年里國(guó)際上又有大量文章報(bào)道了多種非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性(HighStrain Rate Superplasticity簡(jiǎn)稱(chēng)HSRS)，這可望為金屬基復(fù)合材料提供一個(gè)有效的近終形成型方法。
在基體合金固相線(xiàn)溫度附近采用拉伸變形方式研究金屬基復(fù)合材料尤其是鋁基復(fù)合材料高速超塑性的文章較多，但在相似變形條件下對(duì)晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料壓縮變形的研究在國(guó)內(nèi)外報(bào)道很少，在材料的實(shí)際成型過(guò)程(如擠壓、軋制)，材料往往受壓應(yīng)力。高溫壓縮變形是材料所有高溫變形方式中最為簡(jiǎn)單的一種，但是由壓縮變形所獲得分析結(jié)果對(duì)復(fù)雜的熱加工變形的理解和控制仍然是可以借鑒的。研究結(jié)果表明，在純固相區(qū)溫度變形，SiCw/Al復(fù)合材料的壓縮極限變形量約為60％左右，結(jié)果不夠理想。而在液—固兩相區(qū)變形，由于變形溫度較高，復(fù)合材料內(nèi)的應(yīng)力集中較小。并且此時(shí)復(fù)合材料內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了微量液相，微量液相的存在一方面有利于緩解應(yīng)力集中，另一方面，可以起到潤(rùn)滑劑的作用，對(duì)于復(fù)合材料內(nèi)部晶粒之間的滑移和界面的滑移很有幫助。因此對(duì)于SiCw/Al復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，液—固兩相區(qū)溫度變形要優(yōu)于純固相狀態(tài)的變形，但是一直以來(lái)，人們不知道在什么樣的條件下可以得到極佳性能的成型產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)現(xiàn)在對(duì)SiCw/Al復(fù)合材料在液—固兩相區(qū)變形過(guò)程中，人們不知道控制什么樣的工藝參數(shù)才可以得到極佳性能的變形產(chǎn)品，從而存在生產(chǎn)率難以提高、材料消耗大、生產(chǎn)成本高、成型零件質(zhì)量不好和零件尺寸不穩(wěn)定的問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題提供一種可以得到極佳性能的變形產(chǎn)品的SiCw/Al復(fù)合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，該方法為一種選擇性發(fā)明。一種SiCw/Al復(fù)合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，它是將SiCw/Al復(fù)合材料進(jìn)行高溫壓縮，控制壓縮過(guò)程的溫度為575℃～585℃，應(yīng)變速率為0.3s-1～0.5s-1。本發(fā)明針對(duì)SiCw/Al復(fù)合材料構(gòu)件的成型，不但順利的成型出復(fù)合材料構(gòu)件，更重要的是保證了成型后的SiCw/Al復(fù)合材料仍然保持了優(yōu)異的性能。拉伸變形雖然可以取得比較大的延伸率，也就是說(shuō)變形量雖然很大，但是變形以后復(fù)合材料內(nèi)部充滿(mǎn)了孔洞，材料的性能很差。因此本發(fā)明選用了壓縮變形的方式。結(jié)果表明在液—固兩相區(qū)溫度壓縮變形，SiCw/Al復(fù)合材料取得了理想的研究結(jié)果，SiCw/Al復(fù)合材料的極限壓下量達(dá)83％，壓縮變形后復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)492MPa，利于推廣應(yīng)用。


圖1是SiCw/Al復(fù)合材料和Al合金在應(yīng)變速率為0.37s-1時(shí)、溫度為540℃時(shí)壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)示意圖，圖2是SiCw/Al復(fù)合材料和Al合金在應(yīng)變速率為0.37s-1時(shí)、溫度為580℃時(shí)壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)示意圖，圖3是SiCw/Al復(fù)合材料和Al合金在應(yīng)變速率為0.37s1時(shí)、溫度為620℃時(shí)壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)示意圖，圖4是壓縮變形溫度對(duì)變形后SiCw/Al復(fù)合材料和鋁合金抗拉強(qiáng)度的影響對(duì)比曲線(xiàn)示意圖，圖5是SiCw/Al復(fù)合材料在應(yīng)變速率為0.37s-1、溫度為540℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖6是鋁合金在應(yīng)變速率為0.37s-1、溫度為540℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖7是SiCw/Al復(fù)合材料在應(yīng)變速率為0.37s-1、溫度為580℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖8是鋁合金在應(yīng)變速率為0.37s-1、溫度為580℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖9是SiCw/Al復(fù)合材料在應(yīng)變速率為0.37s-1、溫度為620℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖10是鋁合金在應(yīng)變速率為0.37s-1、溫度為620℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式采用擠壓鑄造的方法制備了SiCw/AL復(fù)合材料。然后采用示差掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)DSC)測(cè)定復(fù)合材料的液-固兩相區(qū)溫度，從而為后續(xù)的液—固兩相區(qū)溫度壓縮提供依據(jù)。在復(fù)合材料的固相線(xiàn)溫度附近選取幾個(gè)變形溫度，同時(shí)選取復(fù)合材料的應(yīng)變速率。加熱速率10℃/分鐘時(shí)測(cè)得復(fù)合材料固相線(xiàn)溫度為580℃，變形溫度取300℃、400℃、500℃、540℃、580℃和620℃。應(yīng)變速率選取0.016s-1、0.064s-1、0.094s-1、0.12s-1、0.138s-1、0.37s-1、0.56s-1和1.0s-1。用復(fù)合材料的基體合金同時(shí)作了對(duì)比。復(fù)合材料和鋁合金540℃、580℃和620℃的壓縮變形真應(yīng)力—真變曲線(xiàn)分別如圖1、圖2、圖3所示?？梢钥闯?，SiCw/Al復(fù)合材料和基體合金的變形抗力很低，尤其是在液-固兩相區(qū)溫度，不超過(guò)30MPa，非常適合成型。
圖4是壓縮變形溫度對(duì)變形后SiCw/Al復(fù)合材料和鋁合金抗拉強(qiáng)度的影響對(duì)比曲線(xiàn)示意圖，由圖可見(jiàn)，在變形溫度為575℃～585℃，應(yīng)變速率為0.3s-1～0.5s-1時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值492MPa。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式的變形實(shí)驗(yàn)在Gleeble1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用對(duì)壓縮試樣20vol.％SiCw/LD2直接通電的加熱方式。壓縮試樣20vol.％SiCw/LD2為圓柱狀，直徑和高度之比為2∶3。本實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)研究采用擠壓鑄造法制備的SiCw/Al復(fù)合材料不同變形溫度和不同應(yīng)變速率的高溫壓縮變形行為，不同變形條件下復(fù)合材料壓縮極限變形量(壓縮試驗(yàn)時(shí)試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋時(shí)試樣在高度方向上的減小量)和變形后宏觀形貌，同時(shí)結(jié)合復(fù)合材料壓縮變形后的組織和性能變化規(guī)律，綜合歸納出SiCw/Al復(fù)合材料液—固兩相區(qū)的最佳成型工藝參數(shù)。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，20vol.％SiCw/LD2復(fù)合材料在不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下極限壓縮變形量的具體數(shù)值，如表1所示。該材料在固相線(xiàn)溫度附近壓縮極限變形量較大，尤其是應(yīng)變速率為0.37s-1時(shí)，極限壓縮變形量達(dá)到了83％。
表120vol.％SiCw/LD2復(fù)合材料不同應(yīng)變速率變形壓縮極限變形量

圖5～圖10是20vol.％SiCw/LD2復(fù)合材料和鋁合金在應(yīng)變速率為0.37s-1和不同的變形溫度條件下壓縮變形后宏觀形貌的對(duì)比照片，可以看出，復(fù)合材料在變形溫度為580℃，應(yīng)變速率為0.37s-1變形后宏觀形貌較好。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式是發(fā)明人所做的不同體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料液—固兩相區(qū)壓縮變形的性能，如表2所示表2不同體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料液—固兩相區(qū)壓縮變形數(shù)據(jù)

可以看出，SiCw/Al復(fù)合材料液—固兩相區(qū)溫度的最佳成型工藝為變形溫度575℃～585℃，應(yīng)變速率為0.3s-1～0.5s-1。此時(shí)復(fù)合材料的極限壓下量達(dá)83％，壓縮變形后復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)492MPa。
權(quán)利要求
1.一種SiCw/Al復(fù)合材料液-固兩相區(qū)溫度成型方法，它是將SiCw/Al復(fù)合材料進(jìn)行高溫壓縮，其特征在于控制壓縮過(guò)程的溫度為575℃～585℃，應(yīng)變速率為0.3s-1～0.5s-1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiCw/Al復(fù)合材料液-固兩相區(qū)溫度成型方法，其特征在于控制壓縮過(guò)程的溫度為580℃，應(yīng)變速率為0.37s-1。
全文摘要
SiCw/Al復(fù)合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，涉及一種晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高溫成型的方法?，F(xiàn)在，對(duì)于SiCw/Al復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，液—固兩相區(qū)溫度變形要優(yōu)于純固相狀態(tài)的變形，但是一直以來(lái)，人們不知道在什么樣的條件下可以得到極佳性能的成型產(chǎn)品。本發(fā)明提供一種可以得到極佳性能的變形產(chǎn)品的SiCw/Al復(fù)合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，該方法為一種選擇性發(fā)明，它是將SiCw/Al復(fù)合材料進(jìn)行高溫壓縮，控制壓縮過(guò)程的溫度為575℃～585℃，應(yīng)變速率為0.3s
文檔編號(hào)C22F1/043GK1710141SQ200510010039
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者王桂松, 耿林, 李?lèi)?ài)濱 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)